29/03/2023
Door Ad Spijkers
De University of Arizona heeft een systeem ontwikkeld waarmee autonome voertuigen ondergrondse huisvesting voor astronauten kunnen verkennen.
Onderzoekers aan de in Tucson gevestigde universiteit zijn bezig met het verkennen van omgevingen die toekomstige astronauten als leefgebied zouden kunnen gebruiken. Ze hebben technologie ontwikkeld waarmee een zwerm robots ondergrondse omgevingen op andere werelden kan verkennen. Grotten zouden goede leefgebieden kunnen zijn voor astronauten omdat ze geen structuur hoeven te bouwen. Ze zijn beschermd tegen schadelijke kosmische straling en hoeven het alleen maar mooi en gezellig te maken.
Broodkruimels
De ontwikkelaars bedenken een communicatienetwerk dat voertuigen en (onderwater)vaartuigen zou verbinden via een zogenaamd mesh-topologienetwerk. Hierdoor kunnen de machines als een team samenwerken, maar onafhankelijk van elkaar en menselijke inbreng. De aanpak zou kunnen helpen bij het aanpakken van een van de vele uitdagingen van NASA. De aanpak helpt het beperkte vermogen van de huidige technologie te overwinnen om veilig omgevingen op kometen, asteroïden, manen en planetaire lichamen te doorkruisen. In een knipoog naar het sprookje Hans en Grietje noemden de onderzoekers hun concept 'Breadcrumb-Style Dynamically Deployed Communication Network'(DDCN).
Hans en Grietje lieten broodkruimels vallen om de weg terug te kunnen vinden. In het scenario in Arizona scenario zijn de 'broodkruimels' geminiaturiseerde sensoren die meeliften op de voertuigen die de sensoren inzetten terwijl ze een grot of een andere ondergrondse omgeving doorkruisen.
Communicatieknooppunten
Door voortdurend hun omgeving in de gaten te houden en zich bewust te blijven van waar ze zich in de ruimte bevinden, gaan de voertuigen zelfstandig verder. Ze zijn met elkaar verbonden via een draadloze dataverbinding, waarbij ze onderweg communicatieknooppunten inzetten. Zodra een rover merkt dat het signaal vervaagt maar nog steeds binnen bereik is, laat het een nieuw communicatieknooppunt vallen, ongeacht hoeveel afstand er daadwerkelijk is verstreken sinds het de laatste knooppunt heeft geplaatst. Al die tijd is er geen input van het moedervoertuig nodig; elk ondergeschikt voertuig zal die beslissing zelf nemen.
Het systeem kan op twee manieren werken. In het ene geval fungeert het moedervoertuig als een passieve ontvanger en verzamelt hij gegevens die zijn verzonden door de rovers die de verkenning uitvoeren. In het andere geval fungeert het moedervoertuig als regisseur en bestuurt het de bewegingen van de voertuigen als een poppenspeler.
Het nieuwe concept sluit aan bij het op niveaus schaalbare verkenningsparadigma dat begin jaren 2000 is bedacht. Op Mars voert het Perseverance voertuig bijvoorbeeld het commando over Ingenuity, een robothelikopter. Een concept voor een andere missie, die uiteindelijk niet werd geselecteerd voor financiering, stelde voor om een orbiter met een ballon en een vaartuig te sturen om een van de koolwaterstofzeeën op maan Titan van Saturnus te bestuderen.
Uitdagingen
De broodkruimelbenadering gaat een stap verder door een robuust platform te bieden waarmee robotverkenners ondergronds of zelfs ondergedompeld in vloeibare omgevingen kunnen opereren. Dergelijke zwermen individuele, autonome robots zouden ook kunnen helpen bij zoek- en reddingspogingen in de nasleep van natuurrampen op aarde.
De eerste uitdaging is de voertuigen in ondergrondse omgevingen te krijgen. De volgende uitdaging is, de ondergronds verkregen data op te halen en naar de oppervlakte te sturen rengen. In het DDCN-concept kunnen voertuigen in ingewikkelde ondergrondse omgevingen navigeren zonder het contact met het moedervoertuig aan de oppervlakte te verliezen. Met Lidar kunnen ze grotpassages in drie dimensies in kaart brengen.
Eenmaal ingezet brengen de sensoren automatisch een niet-gericht mesh-netwerk tot stand, wat betekent dat elk knooppunt zichzelf bijwerkt over elk knooppunt eromheen. Ze kunnen tussen elkaar schakelen en dode hoeken en signaaluitval compenseren. Als sommige uitvallen, is er nog steeds verbinding via de resterende knooppunten, zodat het moedervoertuig nooit de verbinding verliest met het verste knooppunt in het netwerk.
Missie zonder terugkeer
Het netwerk van communicatieknooppunten zorgt ervoor dat alle gegevens die door de robotverkenners worden verzameld, terugkeren naar de moederrover aan de oppervlakte. Het is dus niet nodig om de robots terug te halen als ze hun werk hebben gedaan. In plaats van middelen te verspillen om ze de grot in en weer uit te krijgen, is het logischer om ze zo ver mogelijk te laten gaan. Ze worden achtergelaten zodra ze hun missie hebben volbracht, geen stroom meer hebben of zijn bezweken aan een vijandige omgeving .
Op plaatsen waar onderwaterrobots nodig zijn, zou het systeem kunnen bestaan uit een vaartuig drijvend op een meer, zoals het geval kan zijn op Titan. Ook kan het op het ijs op een ondergrondse oceaan worden zitten, zoals op de maan Europa van Jupiter. Het vaartuig is dan verbonden met een onderzeeër, bijvoorbeeld via een lange kabel. Hier zouden de communicatieknooppunten fungeren als repeaters en het signaal met regelmatige tussenpozen versterken om te voorkomen dat het verslechtert. De knooppunten kunnen zelf data verzamelen, bijvoorbeeld druk, zoutgehalte, temperatuur en andere chemische en fysische parameters, en de data via de kabel doorgeven.
Foto: John Fowler/Wikimedia Commons, Mark Tarbell en Wolfgang Fink/University of Arizona